光电计数器课程设计报告.doc

目 录摘要.2第1章 引言2第2章 明确任务2第3章 方案产生3第4章 光电计数器的系统设计4 4.1 系统硬件设计4 4.2 系统软件设计11第5章 设计原理13 5.1 计数测量13 5.2 中断方式计数13第6章 软件程序设计13 6.1 时间控制设置13 6.2 10ms定时13 6.3 中断闪烁13 6.4 总程序调试146.5 实物安装调试17附：心得体会18元件清单18参考文献19摘 要 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。基于光电效应的传感器。光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。关键词：计数 光电传感器 第一章 引言传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新技术、新器件里都有应用，在课程安排上，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、机械量、几何量等参数的测量原理及方法。自动化的计数提高了工业生产上的效率以及准确性，计数的自动化和智能化最终能加速实现现代化的工业。随着生产自动化、设备数字化和机电一体化的发展,对光电计数器的需求日益增多。光电计数器设计一方面是为了巩固课本所学知识，完成知识迁移，另一方面加强动手能力，识图能力及设计能力。基本设计要求：本次设计光电计数器，要求使用红外发光二极管、红外接收管，实现计数功能，掌握红外传感器相关知识，掌握单片机汇编语言，学会如何实现无接触计数。该系统可用于工厂生产线工件计数，通过红外光电管接收到的信号情况，由单片机程序来控制是否计数。第二章 明确任务1.任务名称光电计数器的设计 2. 本次课程设计应达到的目的（1）、综合运用相关课程中所学到的理论知识去独立完成某一设计课题；（2）、通过查阅手册和相关文献资料，培养自我独立分析和解决问题的能力；（3）、进一步熟悉常用芯片和电子器件的类型及特性，并掌握合理选用器件的原则；（4）、学会电路的安装与调试；（5）、进一步熟悉电子仪器的正确使用；（6）、学会撰写课程设计的总结报告；（7）、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。3.本课程设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等） （1）.发光器件和接收器件之间的距离大于1m；（2）.有抗干扰技术，防止由于抖动产生的误计数；（3）.LED数码管显示计数值。4.总结分析结果计数的过程其实是获取脉冲源的过程，当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由电压比较器反相后送入CPU当传送带将被测物体传送到检测点时，物体将探头发送的红外线调制信号反射给探头，探头接收器产生的信号送到单片机P32口，由一个负跳变触发，启动计数器开始计数，每次红外线的阻断都将转化成电信号被单片机芯片获取，在原来的数值上加1，并将计数后所得的数据送给LED显示.第三章 方案产生方案一：采用组合逻辑电路和时序逻辑电路实现电路框图如下图所示：单稳态电路光电转换上电和手动清零驱动&单稳态电路方波发生器显示译码计数 主要设计思路为：没有物体挡光时，光接收电路输出低电平，有瓶子挡光时，光接收电路输出高电平。所以每当有一个瓶子通过时，光电转换电路输出一个正脉冲通过单稳态电路给计数电路，计数电路累加计数。由于当计数达到99后，若再有瓶子通过，由555组成的单稳态电路便会输出一个持续时间为2s的高电平脉冲，与另一个由555组成的方波发生器电路一起经过一个与门以及三极管驱动后使LED灯闪烁2s。方案二：采用单片机编程实现利用单片机外部中断方式，当光电转换电路检测到外界有物体移动时，输出由高电平变为低电平。将这一负跳变信号传送给单片机可使其产生一次外部中断，进而执行中断中的指令，由中断服务程序控制计数，LED灯闪烁程序流程图如下图所示：YN初始化开始N=0红外信号阻断N=N+1N为100的倍数时灯闪烁2sYN方案比较：方案一采用组合与时序逻辑电路,采用模块化方法设计电路图，易于实现对电路的检查，且制作成本较低。但其运用了较多的模拟器件，比较容易受到外界的影响。方案二运用单片机编程，可降低设计电路的周期，具有很高的精确性。综合考虑后，我们决定采用了方案一完成本次课程设计，具体各部分电路图如下文所述。 第四章 光电计数器的系统设计4.1 系统硬件设计1.工作原理检测部分使用红外对管：发射管和接收管。当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由一电压比较器反相后送入CPU。接单片机P32口，启动计数器开始计数，并将计数后所得的数据送给LED显示。系统的原理框图如图1所示。89C51单片机系统计数显示红外线接收器红外线发射器生产流水线图 1 系统电路原理图2硬件电路的组成本系统的硬件电路由光电转换、单片机系统、计数显示组成。本智能光电计数系统是利用ST89C52定时计数器来工作的。当有物体通过时将信号挡住，会遮断红外信号，红外接收器接收不到信号。每次遮断电压信号通过电压比较器产生高电压通过电压比较器和非门使ST89C52单片机的P32产生低电平，经内部程序运算后进行加法处理，其结果通过六个LED 数码管显示出来ST89C52单片机的P口分时输出数据(段选码)，用于点亮六个数码管，ST89C52单片机的P0.0、P0.1、 P0.2、P0.3，P0.4,P0.5,P0.6,P0.7则选通A,B,C,D,E,F,G,DP.具体硬件电路仿真图如下：3.各模块组成在此系统中共涉及了个模块，分别是光电转换、单片机系统模块、计数显示。红外的发射和接收模块位于生产流水线的两侧，通过感知红外线被阻断并将此信号转化为电信号输入到计算机内，由单片机实现技术功能，而单片机系统是光电计数系统的核心模块，实现的主要功能包括：(1).实现0999范围计数；(2).要求使用红外发光二极管、光电管检测；(3).每计数100，用灯闪烁2S指示一下；(4).要求光电发射管与接收管有1米以上的间距，发射器和接收器分别置于流水线两边，中间没有阻挡时发射器的红外线射到接收器，接收器接收到发射来的红外线，经反相处理使之没有信号输出，有工件经过时挡住光路，接收器失去红外线信号便输出一个脉冲信号到单片机进行计数。1-光电转换红外对管和R1，R2组成的光电检测电路，负责把被检测的数量转换成电压脉冲信号。工作时红外发光管发出的红外光线投射到光敏三极管上，光敏三极管导通，集电极输出低电平；当红外光线被检测物遮断时，光敏三极管截止，集电极输出高电平。遮断一次输出一个脉冲，因此脉冲的个数就是被检测物的数量 红外对管中红外发光管的正向电流为50mA，在环境温度为25C时，它的最大耗散功率100mW，正向压降1.5V。当环境温度上升时，允许的正向工作电流还要减小。为了留有一定的欲量，取它的工作电流为20mA。则R1=175 取R1=200，其中5V是电源电压，1.5V是红外发光管的正向压降。根据红外对管的计数手册可知：使红外发光管的正向电流为20mA,当有遮挡时，光敏三极管Iceo=100nA；无遮挡时，光敏三极管的Ic=0.7mA.为了使光敏三极管能工作在开关状态，则R2=6.7K取R2=10K，其中5V是电源电压，0.4V是光敏三极管的饱和压降。红外对管的输出脉冲信号加到一个迟滞比较器（或者称作施密特触发器）。它有两个门限电压，分别称作上门限电压V1和下门限电压V2，两者的差值称为门限宽度获迟滞宽度，即：V=V1-V2假设比较器输出高电平V3，则V3和Vcc共同加到同向输入端的合成电压：V=V3+Vcc当比较器输出为低电平V4时，按同样的分析求得加到同向输入端的合成电压为：V5=V4+Vcc若Vi有大减小的通过V5时，则Vo由Vo1上跃到Vo2。可见，上式所示的V5就是比较器的下门限电压，即V2=V5。相应的迟滞宽度为：V=V1-V2=（Vo1-Vo2）调节R1和R2,可以改变V。同时Tw=2ln（1+）在实际应用中，利用迟滞比较器可以有效的克服噪声和干扰的影响，利用迟滞比较器，只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内，就不会引起错误的阶跃。因此，当被测物每遮挡一次红外对管时，施密特触发器输出一个宽度为Tw的脉冲，该脉冲送到计数器去计数和显示。C4是滤波电容，可提高单稳态触发器的工作稳定性。2-单片机系统模块以及计数显示模块当向P3.2口输入低电平时，经内部程序运算后进行加法处理，其结果通过三个数码管显示出来。3-晶振电路设计晶振电路由2个电容，一个晶振组成，如下图所示。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机晶振有2个电容的作用：这2个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的2个脚上和对地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的振谐频率和输出幅度。晶振的负载电容=(Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C。4-复位电路设计复位电路由电容、电阻、复位组成，如下图所示。复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。基本功能是：系统上电时提供复位信号，制止系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定时间才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机复位参数的选定必须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。5.主要芯片元器件引脚图及功能介绍光电技术系统采用的芯片是ST89C2052,其主要特性：兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共8个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能ST89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。ST89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 ST89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。ST89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。AT89C2052 单片机引脚图电压比较器：电压比较器的作用是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平的电压，以满足后面连接的数字电路对1和0两个逻辑电平的要求。如图所示VI为待比较的输入信号电压，VREF为输入参考电压。在这个电路中，VREF就是比较的门限电压。当VI通过VREF时，输出电压VO发生突变，即：VI由大减小通过VREF时，输出电压VO由低电平值VOL上跃到高电平值VOH；而VI由小增大通过VREF时，VO则由VOH下跃VOL。4.2系统软件设计为了充分实现实时在线工业检测，在处理过程中采用中断方式进行计数 发射电路始终发射红外信号，当传送带将物体送进入口时，将信号挡住，即将红外信号变为脉冲信号，此时中断响宜计数器记录进料数量并设定时中断为lms，如果在进口中有其它异物通过时，它在设定的时间内不能长期保持有效因此，中断不响应，计数器不记录异物通过，这样可防止外界的干扰 主程序流程图如下：开始系统初始化调显示子程序等待中断在光电计数系统中，设计软件可实现技术初始值为999，在生产流水线中有产品通过时，红外线被阻断，红外接收器没有收到发射器的红外信号，输出高电平 。将此信号送人到AT89C2052单片机的P32口。使单片机系统开始工作。由软件实现计数值加一，并且每计数100，用灯闪烁2S指示一下。根据光电技术系统的功能要求，设计出系统的工作流程图如下图所示：YN初始化开始N=0红外信号阻断N=N+1N为100的倍数时灯闪烁2sYN最后则是对软测量效果的评价 由于工业生产过程中要求具有很高的精确性因此对软测量效果的评价是很重要的。根据软测量的效果。确定模型是否需要进行修正，哪些参数需要调整等。一旦发现软测量的效果不能满足于实际应用的需求，就必须考虑重新考虑构造软测量模型，即重新构造出新的软件的设计思路，设计出满足实践需要的软测量系统。第五章 设计原理5.1 计数测量 计数的过程其实是获取脉冲源的过程，当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由电压比较器反相后送入CPU当传送带将被测物体传送到检测点时，物体将探头发送的红外线调制信号反射给探头，探头接收器产生的信号送到单片机P32口，启动计数器开始计数，每次红外线的阻断都将转化成电信号被单片机芯片获取，在原来的数值上加1，并将计数后所得的数据送给LED显示5.2 中断方式计数中断计数方式的实现是靠获取中断源，在MCS-51单片机中有五个可屏蔽的中断源，片内中断源三个，片外中断源两个，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序，其中外部中断源INT0（外部中断0）请求由引脚P3.2输入，一旦输入信号有效（低电平或负跳变），即CPU申请中断，如果CPU响应中断，会自动转到0003H，执行相应的中断服务子程序，INT1(外部中断1)请求由引脚P3.3输入，一旦输入信号有效，即向CPU申请中断，如果CPU响应中断，会自动跳转到0013H处，执行相应的中断服务子程序，在中断系统中涉及一些特殊寄存器的使用，这些寄存器能够控制中断。我们把打断单片机正常工作的外部信号接到单片机的INT0引脚，经过软件对有关寄存器的设置，单片机就可知道外界信号的变化，从而中断主程序的。当系统接侧到信号由高到低的负跳变时引发中断，中断过程中不产生计数，对于外部中断源的撤除，当外部中断采用边延触发方式时，CPU响应中断后，由硬件自动清除其中的中断标志位IE0或IE1，无需采取其他措施。当外部中断源采用电平触发方式时，CPU响应中断后不会自动清除中断请求标志位IE0或IE1，同时也不能用软件清除，当CPU执行完中断程序后返回主程序，发现外部中断源位于低电平时，仍会响应低电平。即外部中断源位于低电平时，则中断标志IE0或IE1就会为“1”。在实际应用过程中根据实际情况采取软硬件配合使用的方法。第六章 软件程序设计 6.1 时间控制设置在工业生产中为了提高工作效率，需要系统有很高的自动化并且要有很高的统计精确性，所以再设计系统时一些时间控制也显得十分重要。6.2 10ms定时计数器记录进料数量并设定时中断为l0ms，如果在进口中有其它异物通过时，它在设定的时间内不能长期保持有效因此，中断不响应，计数器不记录异物通过，这样可防止外界的干扰。此系统引用晶振为12MHz的频率，设置定时1ms，t=(2*20+2+1)*20+1+2us=10ms.源程序如下：DLY10mS: MOV R6, #20 D1: MOV R7, #20 DJNZ R7, $ DJNZ R6, D1 RET6.3 中断闪烁2S：SHAN2S: SETB P2.6 ;闪烁2s ACALL DLY10ms CLR P2.6 ACALL DLY10mS DJNZ R4,SHAN2S6.4 总程序调试 FIRST EQU 21H ;定义个位 SECOND EQU 22H ;定义十位 THIRD EQU 23H ;定义百位 ORG 0000H ;程序从0地址开始 LJMP START ;跳到STRAT处执行 ORG 0003H ;INT0中断向量 LJMP INT_0 ;跳至INT_0处执行 MOV R4,#100START:CLR P2.7;灭灯MOV A,00H; 复位 SETB EA ;开中断 SETB IT0 ;中断0允许P3.2口 SETB EX0 ;负跳变触发CLEAR: ;初始化显示0000 MOV FIRST,#0MOV SECOND,#0MOV THIRD,#0SHOW: ;显示子程序 MOV DPTR,#TAB;DPTR指向编码表位置 MOV A,FIRST ;将FIRST的内容复制到ACC MOVC A,A+DPTR ;根据ACC的值取出编码表中的编码 MOV P0,A ;由P0口输出ACC的内容 CLR P1.2 ;清零P1.2 LCALL DELAY ;调用延时子程序 SETB P1.2 ;置位P1.2 /*显示个位*/ MOV DPTR,#TAB ;DPTR指向编码表位置 MOV A,SECOND ;将SECOND的内容复制到ACC MOVC A,A+DPTR ;根据ACC的值取出编码表中的编码 MOV P0,A ;由P0口输出ACC的内容 CLR P1.1 ;清零P1.1 LCALL DELAY ;调用延时子程序 SETB P1.1 ;置位P1.1/*显示十位*/ MOV DPTR,#TAB ;DPTR指向编码表位置 MOV A,THIRD ;将THIRD的内容复制到ACC MOVC A,A+DPTR ;根据ACC的值取出编码表中的编码 MOV P0,A ;由P0口输出ACC的内容 CLR P1.0 ;清零P1.0 LCALL DELAY ;调用延时子程序 SETB P1.0 ;置位P1.0/*显示百位*/; MOV DPTR,#TAB ;DPTR指向编码表位置 MOV P0,A ;由P0口输出ACC的内容 LJMP SHOW ;循环调用显示子程序INT_0: ;中断子程序，中断触发再回到显示程序段 CLR EA INC FIRST ;FIRST的内容加1 MOV A,FIRST ;将FIRST的内容复制到ACC CJNE A,#10,EXIT ;如果A不等于10，则跳至L1处执行 MOV FIRST,#00H ;将0复制到FIRST INC SECOND ;将SECOND的内容加1 MOV A,SECOND ;将SECOND的内容复制到ACC CJNE A,#10,EXIT ;如果A不等于10，则跳至L2处执行 MOV SECOND,#00H;将0复制到SECOND INC THIRD ;将THIRD的内容加1，运行到这一步后就执行百次闪烁子程序，接着继续返回中断SHAN2S: SETB P2.7 LCALL DELAY CLR P2.7 LCALL DELAY DJNZ R4,SHAN2SCLR P2.7EXIT: ;跳出中断子程序 SETB EA RETI ;返回主程序DELAY: MOV R6, #20 D1: MOV R7, #20 DJNZ R7, $ DJNZ R6, D1 RETTAB: ;编码表DB 0C0H;0 DB 0F9H;1 DB 0A4H;2 DB 0B0H;3 DB 099H;4 DB 092H;5 DB 082H;6 DB 0F8H;7 DB 080H;8 DB 090H;9 END ;程序结束6.5 实物安装调试这是一个最激动人心的过程，做好了仿真之后就开始确认元器件的数目与型号了！在网上查了很久各个元器件的型号，我们对器件的选型做了一些调整，比如那个光电耦合器就很难买，还有一个LM124很贵，考虑用LM104做替代，在电子市场花了将近一下午去找需要的器件，在这个过程中，我们发现去设计一样产品是多么的不容易，从设计到仿真再到实物，这中间要经历很多，买好了所需要的元件，由于没有现成的PCB板，需要自己设计线路走线，自己布局，这个过程让我们体会开发一个产品的不容易。焊接的过程还算顺利。焊接时，烙铁到鼻子的距离应该